I fisici si stanno rendendo conto che forse la causalità non è così lineare come credevamo. Invece di venire dopo, a volte gli effetti possono provocare le cause. E, cosa ancora più sconcertante, entrambe le cose possono essere vere allo stesso tempo. In questa versione degli eventi, apriremmo il frigorifero perché il burro è già in tavola, e il nostro toast sarebbe perfettamente dorato sia prima sia dopo averlo messo nel tostapane. Non saremmo solo noi che prepariamo la colazione, ma anche la colazione che prepara noi.

Giocare con il rapporto causa-effetto a colazione rischia di confonderci le mattinate. Ma soprattutto potrebbe anche scuotere la fisica dalle fondamenta. Non avere più un ordine preciso degli eventi va contro l’immagine dell’universo dipinta dalla relatività generale, e suggerisce addirittura una realtà che va oltre la meccanica quantistica, il modello migliore che abbiamo del mondo subatomico. Permettere alla causalità di funzionare in entrambe le direzioni potrebbe consentirci di combinare queste due teorie in un’unica gravità quantistica, un obiettivo che ci sfugge da più di un secolo. La fine della causalità come la conosciamo oggi potrebbe essere qualcosa da festeggiare. O viceversa.

Finora ci siamo quasi sempre mossi goffamente in un’unica direzione: in avanti. “La freccia del tempo ha un forte impatto sulla nostra vita”, dice il fisico Julian Barbour. Secondo il pensiero dominante questo è dovuto alla seconda legge della termodinamica, in base alla quale l’universo diventa sempre più disordinato con il passare del tempo, stabilendo la direzione di tutto quello che succede. La seconda legge spiega perché non possiamo ricostruire un uovo dopo averlo fritto, e anche perché non possiamo invertire il big bang: da dove siamo adesso è impossibile tornare all’universo molto ordinato dell’inizio. La freccia del tempo ormai è stata scoccata e sembra che non ci sia modo di fermarla.

Questo non significa che il suo percorso sia sempre liscio. Nei primi anni del novecento, le teorie della relatività di Albert Einstein aggiunsero una complicazione alla nostra rappresentazione del tempo. Si scoprì che il tempo scorre più lentamente per un osservatore che viaggia a una velocità più alta, e per chi si trova vicino a un enorme campo gravitazionale. Per esempio, se uno di due gemelli passasse cinque anni – secondo il suo orologio – su una nave spaziale che viaggia a una velocità prossima a quella della luce, al ritorno sulla Terra sarebbe invecchiato molto meno del fratello. Eventi che appaiono contemporanei a un osservatore possono avvenire in sequenza secondo un altro. Ma c’è un’importante condizione: anche se due eventi sembrano avvenire simultaneamente, tra loro ci può essere un rapporto di causa ed effetto solo se c’è il tempo perché uno influenzi l’altro. Dato che le informazioni non possono viaggiare a una velocità superiore a quella della luce, questo costituisce un forte limite a quali eventi possono causarne altri. Per esempio, poiché la luce del Sole impiega otto minuti a raggiungere la Terra, un’esplosione del Sole impiegherebbe otto minuti per produrre conseguenze sul nostro pianeta.

Sembrava che il tempo non potesse diventare più complicato di così. Ma qualche anno dopo si è messa di mezzo la meccanica quantistica. Tra le sue ipotesi più bizzarre c’è quella della sovrapposizione quantistica: l’idea che un oggetto può essere in due stati diversi allo stesso tempo.

Di solito con questo s’intende che possiamo dire che un evento si è verificato e non verificato o che, fino a quando non viene osservato, un gatto – per citare l’esempio più famoso – può essere al tempo stesso vivo e morto. Ma per quanto siano bizzarre queste idee, alcune cose erano ritenute impossibili. L’ordine in cui avvengono gli eventi, per esempio, era considerato esente dalla stranezza quantistica. “Finora abbiamo dato per scontato che l’ordine temporale fosse definito con esattezza”, dice Caslav Brukner dell’università di Vienna.

In un articolo pubblicato nel 2012, Brukner ha distrutto questo assunto. Ha proposto che anche la sequenza temporale di due eventi, proprio come le posizioni di una particella o il suo percorso, possano esistere anche in sovrapposizione. Questo significa che la freccia del tempo potrebbe fare scarti improvvisi lungo la sua traiettoria.

Questa radicale revisione della nostra idea del tempo si è rivelata qualcosa di più di una fantasia sfrenata: sembra che sia supportata da esperimenti reali. Nel 2015, Philip Walther dell’università di Vienna e i suoi colleghi hanno visto un fotone passare attraverso due porte, A e B, in un ordine indefinito, cioè è stato impossibile stabilire se era passato prima attraverso la porta A e poi attraverso la B o viceversa: il suo percorso era una sovrapposizione delle due traiettorie.

Esiste la seducente ipotesi che qualcosa di simile possa valere per la causalità. Nel 2017 Walther e la sua équipe hanno svolto una versione più complessa dell’esperimento, che includeva una misurazione ideata per verificare l’ordine causale. Questa è stata la parte più difficile. “Bisogna costruire il congegno in modo tale che fino alla conclusione dell’intero processo non sia possibile conoscere o estrarre il risultato”, dice Walther. Se si conoscesse il risultato della misurazione durante l’esperimento, la sovrapposizione crollerebbe e il rapporto di causalità tornerebbe a essere normale. “Questo è stato il passo successivo dell’esperimento, per poter dire alla comunità scientifica che ce l’avevamo fatta”, dice Walther.

Ma vista la difficoltà della progettazione, l’esperimento non è risultato del tutto convincente. “È roba davvero forte”, dice Ciarán Gilligan-Lee dello University college of London. Ma esprime anche una certa cautela: “Non abbiamo ancora prove sperimentali decisive e neanche abbastanza convincenti del fatto che le cose stiano così”.

Nel 2019 Brukner ha pubblicato un altro articolo che portava questa idea un passo avanti. Voleva costruire un’immagine della causalità che riflettesse tutta la complessità del mondo, fondendo il concetto di sovrapposizione temporale della teoria quantistica con l’ipotesi della relatività generale secondo cui il tempo sembra passare più lentamente vicino a un campo gravitazionale più forte. Nel suo esperimento mentale immagina che due navi spaziali – pilotate da due nemici giurati che chiameremo Alice e Bob – sincronizzino gli orologi prima di attivare i loro cannoni a fotoni. Poi, alle 12 precise ognuno dei due spara un fotone contro la nave dell’altro. Ma c’è una svolta imprevista. La nave di Bob si trova nei pressi di un pianeta molto denso. Secondo la teoria della relatività generale, con il suo forte campo gravitazionale un oggetto simile farebbe rallentare gli orologi vicini. Quindi per Bob il tempo dovrebbe scorrere più lentamente, e sarebbe colpito dal fotone di Alice prima che il suo orologio segni le 12.

Fin qui tutto regolare. Ma se si potesse mettere quel pianeta in uno stato di sovrapposizione quantistica, in modo che sia vicino sia a Bob sia ad Alice e influisca sugli orologi di entrambi? In questo caso, sembra che possa succedere l’impossibile: si creerebbe uno stato di sovrapposizione in cui il fotone di Alice raggiungerebbe la nave di Bob prima che lui spari il suo, ma anche il fotone di Bob raggiungerebbe la nave di Alice prima che lei spari il suo.

Trattare in modo quantistico un oggetto delle dimensioni di un pianeta può sembrare impossibile, ma i fisici stanno lavorando per mettere in sovrapposizione oggetti sempre più grandi. Nel 2019, per esempio, molecole costituite da duemila atomi ciascuna sono state messe simultaneamente in due stati. Diversi laboratori stanno cercando di mettere in sovrapposizione piccole sfere del diametro di pochi nanometri, dice Walther, anche se dubita che abbiano la massa sufficiente per produrre l’effetto previsto dall’esperimento mentale di Brukner. E altre stranezze sono in arrivo. Nella forma attuale dell’ipotesi di Brukner né Alice né Bob hanno la possibilità di scegliere cosa fare. Ma se potessero farlo, anche l’ordine causale delle loro scelte sarebbe interdipendente, dice Brukner. “Se Alice cambiasse qualcosa, questo influirebbe su Bob”, dice.

Anche se si tratta solo di un esperimento mentale, aggiungere questo elemento di scelta complica le cose perché richiede che una delle due parti o entrambe eseguano una misurazione, e le misurazioni fanno crollare la sovrapposizione. Ma la coautrice di Brukner, Magdalena Zych dell’università del Queensland, spera in futuro di trovare un modo per estendere l’esperimento all’ordine causale. Dopotutto, dice, se l’ordine temporale può essere soggetto alla correlazione (entanglement), lo stesso potrebbe valere per quello causale.

Se questo esperimento mentale potesse essere replicato in laboratorio, significherebbe che l’ipotesi di Brukner di un ordine causale in sovrapposizione è compatibile con la relatività generale. Partendo dal presupposto che sia possibile mettere in sovrapposizione quantistica una massa sufficientemente grande, Brukner e la sua équipe hanno dimostrato che l’instabilità causale si estende a partire dai punti che l’oggetto potrebbe occupare nello spazio e nel tempo. “In un certo senso, l’ordine temporale tra alcuni eventi in una regione dello spazio-tempo si può intrecciare con l’ordine temporale degli eventi in un’altra regione”, dice Zych. Questo significa che tutto quello che fanno Bob e Alice, e tutto quello che succede sulle loro navi, accade sia prima sia dopo tutto quello che fa l’altro. Significherebbe che viviamo in un mondo in cui non solo non possiamo sapere in che ordine sono accaduti gli eventi, ma in cui fondamentalmente non c’è nessun ordine prestabilito.

“È stupefacente”, dice Gilligan-Lee. E non è l’unico a pensare che sia una grande notizia. “È sconcertante anche per chi ha familiarità con gli aspetti più bizzarri della teoria quantistica”, dice Ana Belén Sainz dell’università di Danzica, in Polonia.

Non è la prima volta che i fisici giocano con la causalità. Alcune teorie precedenti hanno suggerito che la causalità può essere invertita, o che la freccia del tempo vada nella direzione opposta. Ma la causalità quantistica va un passo più in là rispetto al rovesciamento dell’ordine degli eventi, perché consente a più ordini di esistere contemporaneamente. “Possiamo immaginare che A influenzi B e B influenzi A, ma c’è anche qualcos’altro che non può essere compreso solo con questi due termini”, dice Brukner. La coesistenza di ordini causali è una nuova proprietà che arricchisce la struttura causale della teoria dei quanti”, dice.

Se questa nuova proprietà fosse confermata, potremmo usarla a nostro vantaggio. In teoria i computer quantistici possono fare calcoli più complicati di quelli classici, e farli più rapidamente. Mentre i computer normali immagazzinano memoria sotto forma di bit binari – 0 e 1 – che possono esistere solo negli stati classici, i bit quantistici (qubit) possono esistere in sovrapposizione, e quindi essere manipolati in modo più complesso. Brukner e i suoi colleghi hanno dimostrato che mettendo in sovrapposizione circuiti con ordini causali diversi, alcuni calcoli possono essere svolti in modo più efficiente. Si spera anche che queste sovrapposizioni possano rendere più chiari i canali di comunicazione riducendo la sensibilità al rumore.

Ma i veri vantaggi potrebbero derivare da una nuova rappresentazione dell’universo. Per decenni la meccanica quantistica e la relatività generale sono sembrate incompatibili: una descrive l’enormemente piccolo e l’altra il molto grande. E non esiste ancora una spiegazione quantistica soddisfacente del funzionamento della gravità, che rimane nella sfera di competenza della relatività generale. Combinare le due teorie in un’unica teoria della gravità quantistica è quindi una delle sfide più importanti della fisica teorica.

Anche se l’elementare combinazione di meccanica quantistica e relatività generale usata nell’esperimento mentale di Zych e Brukner non è in sé una teoria della gravità quantistica, la struttura matematica che hanno ideato potrebbe costituire un utile banco di prova per scoprire le caratteristiche di questa teoria. “Se riuscissimo a capirle bene, potrebbero indicarci come costruire una vera teoria della gravità quantistica”, dice Gilligan-Lee.

In effetti, l’ipotesi che la struttura causale degli eventi possa esistere in sovrapposizione è qualcosa che i fisici che studiano la gravità quantistica già usano normalmente nelle loro ricerche, dice Francesca Vidotto della Western university dell’Ontario, in Canada: “È il nocciolo di una teoria della gravità quantistica”.

Quei fisici prevedono che il rapporto di causalità possa venir meno in condizioni estreme in cui la fisica come la intendiamo oggi non funziona, come nei primi momenti del big bang o all’interno dei buchi neri, che si ritiene abbiano una densità infinita. Le ultime ricerche sulla causalità quantistica fanno pensare che potremmo riprodurre questi effetti gravitazionali quantistici in esperimenti condotti sulla Terra, che sarebbero molto più facili da seguire. “Con lo sviluppo di nuove tecniche, possiamo pensare di studiare la gravità quantistica non solo attraverso l’astrofisica, ma anche nei nostri laboratori”, dice Vidotto. Anche se secondo lei non vedremo presto una versione da tavolo dell’esperimento mentale del pianeta quantistico, non è escluso che i fisici siano in grado di fare qualcosa che ci si avvicina. “Penso che a un certo punto si potrà fare in laboratorio”, dice.

Ancora più entusiasmante per qualcuno è il fatto che il lavoro sulla causalità quantistica sta spostando i confini della stessa meccanica quantistica. Per teorici come Gilligan-Lee, la teoria dei quanti non ha necessariamente l’ultima parola sulla fisica del molto piccolo. Ma per andare oltre e arrivare a una nuova scuola di pensiero, dovremmo trovare il modo di rendere meno rigorosi i requisiti della causalità. Le ricerche di Brukner rappresentano esattamente un allentamento di quel rigore. “Potrebbe essere un modo per andare oltre la teoria quantistica e creare una teoria più profonda della natura”, dice Gilligan-Lee. “È il tipo di ricerca sui fondamenti della fisica che al momento trovo più entusiasmante”.

Rinunciare alla nostra idea intuitiva della causalità può sembrare un passo estremo, ma potrebbe portarci ad avere un quadro più chiaro di come funziona veramente l’universo. È una cosa su cui riflettere a colazione. ◆bt